NO335798B1 - Hydraulisk, undersjøisk kopling med avtappingsboring - Google Patents

Abstract

En undersjøisk hydraulisk kopling har en avtappingsboring for sjøvann utvendig i forhold til koplingen for å gå inn i boringen av koplingens muffeelement, når tappelementet er delvis trukket ut av muffeelementet. En ringformet radial tetning plassert mellom koplingselementene tillater fluid å strømme gjennom, avtappingsboringen og inn i boringen, mens den tetter mot strømmen av hydraulisk fluid ut av koplingen. Avtappingsboringen og en ringformet radial tetning sørger for at sjøvann fyller vakuumet mellom koplingselementene når de separeres, og derved reduserer de foreskrevne separasjonskreftene.

Description

Denne oppfinnelsen vedrører generelt hydrauliske koplinger, og spesielt hydrauliske koplinger for bruk ved undersjøisk boring og produksjon. Spesielt omfatter denne oppfinnelsen en hydraulisk kopling med en avtappingsboring som tillater at sjøvann går inn i muffekoplingselementets boring under fråkopling.

Undersjøiske hydrauliske koplinger er godt kjent innenfor fagområdet. Kop-lingene består hovedsakelig av et tappelement og et muffeelement med tettede fluidpassasjer som forbinder disse. Muffeelementet er generelt et sylindrisk legeme med en langsgående boring med relativt stor diameter i en ende, og en langsgående boring med relativt liten diameter i den andre enden. Den lille boringen letter forbindelsen med hydrauliske ledninger, mens den store boringen tetter og går i glidbart inngrep med koplingens tappelement. Tappelementet omfatter en sylindrisk del ved en ende med en utvendig diameter omtrent med den samme diameteren som til muffeelementets store boring av koplingen. Tappeelementet omfatter også en forbindelse ved sin andre ende for å lette forbindelse med hydrauliske ledninger. Når den sylindriske delen av tappelementet blir satt inn i muffeelementets store boring, er i henhold til forskjellige utførelsesformer av anord-ningen, fluidstrøm etablert mellom tapp- og muffeelementene.

Ved anvendelse av undersjøiske koplinger, kan tapp- og muffeelementene bli forbundet eller frakoplet mens koplingen forblir under vann, enten manuelt av en dykker eller automatisk av et dykkerløst system, eksempelvis et fjernstyrt fartøy (ROV) som er godt kjent innenfor fagområdet. Tappelementet og muffeelementet blir hovedsakelig forbundet med motstående plater på en manifold og holdes sammen av bolter eller hydrauliske elementer tilknyttet platene på manifoldene. Tappeelementet blir vanligvis tilknyttet en plate og muffeelementet blir tilknyttet en motstående plate som vender mot tappelementet og som innretter seg med dette. Tappelementet og muffeelementet kan tilknyttes manifoldsplatene ved bruk av forskjellige midler, eksempelvis et sett skruer eller gjenger. Fremgangsmåter for tilknytning av elementer til slike manifoldplater er godt kjent for en fagmann.

Ved koplinger av den foregående type, kan en eller begge koplingselementene omfatte en seteventil som åpner seg for å tillate fluidstrøm, og lukkes mot et ventilsete inne i koplingselementet for å stoppe strømmen. Generelt sett er sete-ventiler fjærforspent til den lukkede stillingen. Setet eller tallerkenventilene omfatter hver en ventilaktuator, som kan være en nese eller spindel, som strekker seg fra toppunktet av ventiloverflaten langs seteventilens langsgående akse.

Undersjøiske hydrauliske koplinger av den foregående type blir forbundet og frakoplet mens de er under vann. I nødssituasjoner, f.eks. stormer, orkaner etc, må koplingselementene raskt frakoples og en av elementene, typisk muffeelementer, bli fjernet fra den undersjøiske plasseringen. Når tappeelementet trekkes fra den store sentrale boringen i muffeelementet, oppstår det et resulterende område med lavt trykk eller vakuum inne i boringen. Vakuumet øker vanskelighe-tene med å frakople tappelementet fra muffeelementet i koplingen. Motstanden mot fråkopling på grunn av vakuum forstørres når flere koplinger og manifoldplater frakoples. I de senere år foregår undersjøisk boring og produksjon ved økende dyp, f.eks. 1500 meter eller mer under havoverflaten.

Ved større havdyp, må systemets hydrauliske trykk som koplingen omfattes av, være større. Eksempelvis må det hydrauliske systemets trykk typisk overgå trykket av hydrokarbonene i borehullet. Ved undersjøiske applikasjoner med økt innvendig trykk, er det nødvendig å hindre lekkasje av hydraulisk fluid fra systemet mens koplingselementene er i inngrep eller frakoplet. Følgelig, blir en eller flere tetninger brukt for overgangen mellom koplingselementene. Spesifikt, har elastomeriske tetninger og trykkdrevne metalltetninger blitt brukt ved undersjøiske hydrauliske koplinger.

I US patent nr. 4,813,454 Robert E. Smith III, er en undersjøisk kopling med trykkbalanseringsporter vist. Tappelementet i koplingen omfatter minst en balan-seringsport som kommuniserer mellom den fremre overflaten og den ytre side-veggen. Når tappelementet tettes i forhold til den ringformede elastomeriske tetningen i muffeelementets mottakskammer, og seteventilene av hvert element lukkes, blir balanseringsporten brukt for å tappe sjøvann inn i eller ut av det ringformede rommet mellom koplingselementene.

I US patent nr 5,469,887 Robert E. Smith III, er en hydraulisk kopling med en trykkutligningsventil vist mellom den sentrale boringen eller mottakskammeret på muffeelementet og den utvendige overflaten av muffeelementet. En ventil i passasjen tillater sjøvann å strømme inn i det ringformede rommet under forbindelse eller fråkopling av tapp- og muffekoplingselementene og utligner følgelig trykket og hindrer implosjon av tetninger under fråkopling av koplingselementene.

US 5,771,927 beskriver en undersjøisk hydraulisk kopling hvor hvert av medlemmene inkluderer en del av et legeme og fluidventiler plassert innenfor del-ene av legemet. Hannmedlemmer og hunnmedlemmer samarbeider med fluidven- tilene for å styre ventilene slik at ventilene enten er i en åpen posisjon eller en lukket posisjon for å kontrollere fluid strømning mellom de to medlemmene. Den un-dersjøiske hydrauliske koplingen inkluderer i det minste en ringformet forsegling i mottakskammeret i hunnmedlemmet som kommer i inngrep med hannmedlemmet når dette blir tatt i mot i mottakskammeret. I tillegg er det en flerhet av trykkavlast-ningskanaler i den ringformede forseglingen som tillater fluid som ligger omkring hann og hunn medlemmene å gå igjennom trykkavlastningskanalene for å utlikne trykket mellom mottakskammeret og de fluidinneholdende omgivelser når et hannmedlem koples til eller koples fra et hunnmedlem.

US 4,854,615 beskriver en sammenføyning for å forme en forseglet sam-menføyning mellom to sylindre med store diametre. En tapp og fals anordning an-vender en trykkdrevet metallforsegling som vil ekspandere radielt når sylinderne blir trykksatt internt. Den radielle ekspansjonen øker forseglingseffekten til metallforseglingen mellom tapp og fals. Metallforseglingen kan motstå ekstreme trykk og temperaturer som kan ha uheldig innvirkning på elastiske O-ringer.

Den foreliggende oppfinnelsen befinner seg i en hydraulisk undersjøisk kopling av den foregående type, omfattende tapp- og muffeelementer for fluidkommunikasjon derimellom og en ringformet tetning holdt i muffeelementet av en tetningsholder. Muffeelementet omfatter en avtappingsboring (bleed port) med en andre ringformet tetning for å tillate at sjøvann går gjennom avtappingsboringen og strømmer gjennom et ringformet rom inn i muffeelementets boring når tappeelementet delvis er trukket ut av boringen. De radielle tetningene er plassert mellom tetningsfolderen og muffeelementets legeme, og hindrer at hydraulisk fluid slipper ut av koplingen gjennom det ringformede rommet og ut av avtappingsboringen. Avtappingsboringen virker som en vakuumbryter for å fylle vakuumet i boringen etter som tappeelementet fjernes fra muffeelementets boring. Den foreliggende oppfinnelsen reduserer også de nødvendige kreftene for å fjerne tappeelementet fra muffeelements boring.

Foreliggende oppfinnelse frembinger en særlig gunstig undersjøisk hydraulisk kopling omfattende: (a) et tappeelement med en sylindrisk sonde og en gjennomgående boring; (b) et muffeelement med en utvendig overflate, en avtrappet innvendig boring og et mottakskammer for glidbart å motta sonden, der mottakskammeret har en innvendig skulder, en første ringformet tetning plassert på skulderen, og en tetningsholder for å holde den første ringformede tetningen mot skulderen, der tetningsholderen har en utvendig diameter som er mindre enn den innvendige diameteren av mottakskammeret for å tilveiebringe et ringformet rom derimellom; og

(c) en radial avtappingspassasje som strekker seg mellom mottakskammeret og muffeelementets ytre overflate, og en andre ringformet tetning plassert i det ringformede rommet mellom tetningsholderen og mottakskammeret med en posisjon i en aksial avstand mellom den radielle avtappingspassasjen og den innvendige skulderen, der den andre ringformede tetningen er konfigurert for å forhindre fluid i å strømme fra den avtrappede innvendige boringen inn i en åpning i den radielle avtappingspassasjen, og for å tillate at fluid utenfor den radiale avtappingspassasjen å strømmer gjennom det ringformede rommet inn i mottakskammeret når sonden delvis trekkes ut fra mottakskammeret.

De følgende tegningene danner en del av den foreliggende spesifikasjonen og viser ytterligere visse aspekter av den foreliggende oppfinnelsen. Oppfinnelsen vil bli bedre forstått ved henvisning til en eller flere av disse tegningene i kombinasjon med den detaljerte beskrivelsen av de spesifikke utførelsesformene som er

presentert.

Fig. 1 er et tverrsnitt av tapp- og muffekoplingselementene i henhold til en første utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen med tappelementet delvis fjernet fra muffeelementets boring. Fig. 1A er et tverrsnitt av avtappingsboringen og tetningen i henhold til en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 2 er et tverrsnitt av tapp- og muffekoplingselementene i henhold til en første utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen med tappelementet helt innsatt i muffeelementets boring. Fig. 3 er et tverrsnitt av tapp- og muffekoplingselementene i henhold til en andre utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen med tappelementet delvis fjernet fra muffeelementets boring. Fig. 3A er et tverrsnitt av avtappingsboringen og tetningen i henhold til en andre foretrukket utførelsesform.

En første foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen, vist på fig. 1, omfatter et tappelement 10, muffeelement 20, tetningsholder 30 og holderlåseelement 40. Når tappeelementet settes inn i muffeelementets mottaks kammer 67, etableres fluidkommunikasjon mellom elementene. Fig. 1 er et tverrsnitt som viser tappelementet delvis trukket ut av muffeelementet. Tappelementet omfatter en sonde 45 med langsgående boring 32 strekkende derigjennom og seteventil 60 glidbart mottatt i boringen. Tappelementet omfatter også håndtak 31 som fortrinnsvis er gjenget ved 41 eller på annen måte forbundet med en mani-foldplate. Håndtaket slutter ved flens 42. En ende av tappelementets boring har en gjenget seksjon 21 for forbindelse med hydrauliske ledninger. Tappelementets sonde kan også ha en eller flere trinn langs sin ytre omkrets, om ønskelig.

Fortrinnsvis, omfatter seteventil 60 en ventilaktuator 61 som strekker seg fra ventiloverflatens toppunkt. Seteventilen tvinges til sin lukkede stilling av sete-ventilfjær 71. Seteventilfjæren er plassert mellom seteventilen og fjærkrage 62. Fjærkragen holdes på plass av en klips 63 som går i inngrep med tappelementets boring 32.

Muffeelementet 20 omfatter en sentral boring 68, en seteventil 79 i boringen, og et mottakningskammer 67 for glidbart å motta tappeelementet. Seteventilen 79 har en konisk ventiloverflate og en ventilaktuator 80 som strekker seg derifra. Ventilfjæren 78 tvinger seteventilen til sin lukkede stilling, og er forankret av en fjærkrage 77 og klips 82. Ved en ende av muffeelementets legeme er et håndtak 69, som fortrinnsvis er gjenget ved 81 for forbindelse med manifoldsplater og tilsvarende. En ende av muffeelementets boring 68 er også tilveiebrakt med en gjenget seksjon 76 for forbindelse med hydrauliske ledninger.

I en foretrukket utførelsesform, har mottakskammeret 67 en første om-kretsplassert skulder 56 som kan bli brukt for posisjonering av en tetning. Fortrinnsvis, er tetningen en hul radial metalltetning 57 som danner en tetning mellom sondens 45 omkrets og muffeelementets sentrale boring når koplingen er satt sammen. Tetningen 57 har et innvendig hulrom som kan ekspanderes som re-spons på hydraulisk fluidtrykk for å forbedre den radielle tetningen mellom sonde-seksjonen 45 og muffeelementet. Alternativt, kan tetningen være en elastomerisk radial tetning, eksempelvis en O-ring, en tetning med en svalehalepasning mellom skulderen 56 og tetningsholderen 30, eller en overflatetetningstype for tetning med den fremre overflaten av tappeelementet. Tetningen holdes på plass i muffeelementets boring av tetningsholder 30 som fortrinnsvis er et hylseformet element med en innvendig boring dimensjonert for å motta tappeelementets sondeseksjon derigjennom. Tetningsholderen 30 holdes på plass av tetningslåseelement 40 som fortrinnsvis er gjenget til muffeelementet.

Tetningsholder 30 er posisjonert på en andre omkretsmessig skulder 58 i muffeelementet og kan om ønskelig tilveiebringe lett aksial sammenpressing av tetningen 57 for å danne en forspenning på tetningen. Holderens utvendige diameter er noe mindre enn muffeelementets innvendige borings diameter 49 for å danne et ringformet rom 25 derimellom. Forskjellen i disse diameterne bør være tilstrekkelig til å tillate glidende innsetting av tetningsholderen inn i muffeelementets boring, hvilket vil tillate en begrenset strøm av sjøvann gjennom det ringformede rommet. Når tappeelementet delvis er trukket ut av muffeelementet, strøm-mer sjøvann på utsiden av koplingen inn i avtappingsporten 50, gjennom det ringformede rommet 25 og inn i rommet i mottakskammeret der tappeelementets sonde befinner seg.

Tetning 54 er plassert på skulder 55 på holderen. Fortrinnsvis, er tetningen 54 en hul U-formet elastomerisk tetning. Tetningen tillater sjøvann å strømme fra avtappingsboringen og gjennom det ringformede rommet inn i boringen eller mottakskammeret på muffeelementet, men blokkerer strømmen av fluid fra mottakskammeret eller boringen inn i det ringformede rommet og ut av koplingen gjennom avtappingsboringen. Følgelig vil sjøvann som går inn gjennom den radiale avpas-ningsboringen 50 strømme gjennom det ringformede rommet mellom tetningsholderen 30 og muffeelementet inn i mottakskammeret 67 når tappeelementet delvis er trukket ut av muffeelementet uten lekkasje av hydraulisk fluid fra koplingen. Tetning 57 tillater også sjøvann å avtappes gjennom det ringformede rommet inn i mottakskammeret mens det hindrer at hydraulisk fluid slipper ut av overgangen mellom koplingselementene.

I en foretrukket utførelsesform, danner en radial elastomertetning 43 en tetning mellom tappeelementets sondeseksjon, tetningsholderen 30 og holderens låseelement 40. Tetningen har fortrinnsvis en svalehalepasning mellom tetningsholderen og holderens låseelement.

Alternativt, kan tilleggsavtappingspassasjer 52, 47, 53 være inkludert gjennom holderen 30 og holderens låseelement. Disse tilleggsavtappingspassasjene tillater at mer sjøvann tappes gjennom det ringformede rommet 49 mellom muffeelementet og tetningsholderen, og går inn i mottakskammeret når tappeelementet har blitt delvis strukket ut av muffeelementets boring.

Nå med henvisning til fig. 1 A, der avtappingspassasjen og tetningen er vist i større detalj. Når det finnes et vakuum i mottakskammeret eller boringen etter som tappeelementet trekkes ut fra muffeelementet, trekker vakuumet vann gjennom avtappingspassasjen 50 og inn i spalten eller rommet 25 mellom tetningsholderen 30 og muffeelementets boring 49. Den elastomeriske tetningen 54 som er plassert på skulderen 55 tillater at sjøvann avtappes forbi den og inn i boringen eller mottakskammeret 67. Metalltetning 57 som er plassert på skulderen 56 tillater også at sjøvann avtappes forbi den når det er et vakuum i mottakskammeret. Alternativt, kan avtappingspassasjene 52, 47, 53 bli brukt for å tillate at tilleggssjøvann avtappes inn i boringen om ønskelig.

Fig. 2 viser den første utførelsesformen med tappelementet fullt innsatt i muffeelementet, der seteventilene av hvert element er åpent, og hydraulisk fluid sendes mellom koplingselementene. Som vist, hindrer radial metalltetning 57 og radial elastomerisk tetning 54 hydraulisk fluid fra å slippe ut mellom tappeelementet, holderen og muffeelementet. Typisk, er hydraulisk fluid i et slikt system ved trykk på 340 Bar eller mer, hvilket tjener til å trykkdrive metalltetningen 57 og den elastomere tetningen 54. Trykkdrift hjelper til med å opprettholde en fluidtett tetning for å hindre lekkasje av hydraulisk fluid. Imidlertid strømmer, når tappeelementet har blitt delvis trukket ut fra muffeelementets boring og skapt et vakuum i boringen, sjøvann forbi tetningene 54 og 57, gjennom det ringformede rommet mellom koplingselementene. Tilsvarende, i en første utførelsesform er avtappingsboringen vist som tillater at sjøvann tappes forbi tetningen når tappen trekkes fra muffeelementet, men som vil hindre hydraulisk fluid fra å lekke fra koplingen. Fortrinnsvis oppstår tapping av sjøvann inn i muffekoplingens boring når tappeelementet forblir tettet radielt med svalehaleelastomertetning 43. Fortrinnsvis, er seteventilene og ventilaktuatorene dimensjonert for å tillate avtapping av sjøvann inn i muffeelementets boring kun etter at en eller begge elementenes ventiler er lukket.

Nå med henvisning til fig. 3 på tegningen, der en andre foretrukket utførel-sesform er vist. I denne utførelsesformen omfatter en todelt tetningsholder en første holderdel 90 og en andre holderdel 91. Tetningen 54 er tettet på skulderen 95 av en andre del 91.1 en foretrukket utførelsesform er en O-ring eller en annen tetning 92 holdt på plass mellom den første delen og den andre delen av tetningsholderen. Avtappingspassasje 25 strekker seg mellom mottakskammeret og den ytre omkretsen av muffeelementet. Alternativt kan tilleggsavtappingspassasje 94 strekke seg radielt gjennom den andre delen av tetningsholderen, og avtappingspassasjen 93 kan være inkludert i den første delen av holderen, hvilket kommuniserer med avtappingspassasjen 53 i holderens låseelement 40. De andre kompo-nentene av den andre foretrukne utførelsesformen er like eller tilsvarende den første utførelsesformen.

På fig. 3A er et mer detaljert riss av koplingen i henhold til en andre foretrukket utførelsesform vist. Den første delen 90 og den andre delen 91 av holderen holdes begge på plass av holderens låseelement 53. Utførelsesformen på

fig. 3 og fig. 3A letter posisjonering og sammensetning av den elastomere tetningen 92 på skulderoverflaten 95.

Avtappingsboringen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen tjener til å bryte et vakuum for å hindre at et vakuum bygges opp i muffeelementets boring eller i mottakskammeret etter som tappen fjernes fra muffeelementet. Oppfinnelsen reduserer den nødvendige kraften for å fjerne tappen fra muffeelementet, særlig ved undersjøiske forhold og/eller der flere koplingselementer frakoples samtidig. Utførelser i henhold til foreliggende oppfinnelse kan bli brukt eller innar-beidet som del av en hvilken som helst kopling som har elastomer eller metalltetninger eller en kombinasjon av disse, men den er mest fordelaktig ved undersjø-iske hydrauliske koplinger av den foregående type.

Claims (6)

1. Undersjøisk hydraulisk kopling omfattende: (a) et tappeelement (10) med en sylindrisk sonde (45) og en gjennomgående boring (32); (b) et muffeelement (20) med en utvendig overflate, en avtrappet innvendig boring (68) og et mottakskammer (67) for glidbart å motta sonden (45), der mottakskammeret (67) har en innvendig skulder (56), en første ringformet tetning (57) plassert på skulderen, og en tetningsholder (30) for å holde den første ringformede tetningen mot skulderen, der tetningsholderen (30) haren utvendig diameter som er mindre enn den innvendige diameteren (49) av mottakskammeret for å tilveiebringe et ringformet rom (25) derimellom; og (c) en radial avtappingspassasje (50) som strekker seg mellom mottakskammeret og muffeelementets (20) ytre overflate, og en andre ringformet tetning (54) plassert i det ringformede rommet (25) mellom tetningsholderen (30) og mottakskammeret med en posisjon i en aksial avstand mellom den radielle avtappingspassasjen (50) og den innvendige skulderen (56), der den andre ringformede tetningen (54) er konfigurert for å forhindre fluid i å strømme fra den avtrappede innvendige boringen (68) inn i en åpning i den radielle avtappingspassasjen (50), og for å tillate at fluid utenfor den radielle avtappingspassasjen (50) å strømme gjennom det ringformede rommet (25) inn i mottakskammeret (67) når sonden delvis trekkes ut fra mottakskammeret (67).

2. Undersjøisk hydraulisk kopling i henhold til krav 1, hvori den første ringformede tetningen (57) er en trykkdrevet hul metalltetning.

3. Undersjøisk hydraulisk kopling i henhold til krav 1, hvori den andre ringformede tetningen (54) er en hul elastomerisk tetning med et U-formet tverrsnitt.

4. Undersjøisk hydraulisk kopling i henhold til krav 1, ytterligere omfattende en seteventil (60) i boringen (32) i tappelementet (10) og en seteventil (79) i boringen (68) i muffeelementet (20), der hver av seteventilene har en ventilaktuator (61, 80) som åpner ventilene når ventilaktuatorene innbyrdes går i inngrep med hverandre.

5. Undersjøisk hydraulisk kopling i henhold til krav 1, ytterligere omfattende et holderlåseelement (40) som går i inngrep med muffelelementet for å holde tetningsholderen (30) i muffeelementets mottakskammer.

6. Undersjøisk hydraulisk kopling i henhold til krav 1, ytterligere omfattende en andre radial avtappingspassasje (52) som strekker seg gjennom tetningsholderen (30).